Báo cáo tóm tắt Đề tài Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TỐI ƯU HÓA HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN ĐỒNG THỜI
Mã số: B2017–ĐN02–36
Chủ nhiệm đề tài: TS. NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN
ĐÀ NẴNG, 02/2019
NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Đơn vị công tác và
Nội dung nghiên cứu cụ thể
được giao
TT
Họ và tên
lĩnh vực chuyên môn
Chủ nhiệm đề tài, nghiên cứu lý
thuyết, viết chương trình, viết
báo cáo tổng kết
Khoa Điện tử Viễn
thông
1 Nguyễn Duy Nhật Viễn
Khoa Điện tử Viễn Nghiên cứu lý thuyết, viết
thông chương trình
2 Lê Hồng Nam
3 Vũ Vân Thanh
4 Mạc Như Minh
Khoa Điện tử Viễn Nghiên cứu lý thuyết, viết
thông chương trình
Khoa Điện tử Viễn Nghiên cứu lý thuyết, viết báo
thông cáo tổng kết
MỤC LỤC
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................................1
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................5
1.
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
5
2.
3.
4.
5.
Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................ 5
Mục tiêu của đề tài................................................................................................ 6
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu............................................................................. 6
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu.............................................................. 6
6. Nội dung của đề tài ..................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1
ĐỒNG THỜI
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG
.....................................................................................................................8
1.1 Giới thiệu................................................................................................................ 8
1.2 Hệ thống SWIPT..................................................................................................... 8
1.2.1 Chuyển mạch thời gian (TS).............................................................................. 9
1.2.2 Chia công suất (PS) ........................................................................................... 9
1.2.3 Chuyển mạch anten (AS)................................................................................... 9
1.2.4 Chuyển mạch không gian (SS)........................................................................... 9
1.3 Đặc điểm và các chỉ số đánh giá thu hoạch năng lượng không dây........................... 9
1.3.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF ................................................... 9
1.3.2 Phạm vi hoạt động............................................................................................10
1.3.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE) ...............................................10
1.3.4 Yếu tố cộng hưởng ...........................................................................................10
1.3.5 Độ nhạy............................................................................................................10
1.4 Một số ứng dụng của thu năng lượng VÔ TUYẾN .................................................10
1.4.1 Thu năng lượng RF trong y tế và chăm sóc sức khỏe.........................................10
1.4.2 Phân tập tần số .................................................................................................10
1.4.3 Mạng cảm biến không dây (IoT/WSN) .............................................................10
1.5 Kết luận chương.....................................................................................................10
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ
HÓA……………………………………………………………………………………………………11
2.1 Giới thiệu chương ..................................................................................................11
2.2 Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO............................................................11
2.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO..........................................................................11
2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO............................................................................11
2.2.3 Khuyết điểm của hệ thống MIMO.....................................................................11
2.3 MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng...................................................11
2.3.1 Dung lượng kênh..............................................................................................11
a
2.3.2 MIMO đơn người dùng (SU-MIMO)................................................................11
2.3.3 MIMO đa người dùng (MU-MIMO).................................................................11
2.3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing....................................................................11
2.3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa MMSE ............................................................................11
2.4 Kết luận chương.....................................................................................................11
CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT..12
3.1 Giới thiệu chương ..................................................................................................12
3.2 Thiết kế bộ thu/phát MMSE cho hệ thống SWIPT..................................................12
3.2.1 Mô hình hệ thống .............................................................................................12
3.2.2 Thiết kế bộ thu - phát MMSE ...........................................................................12
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN...........................................................13
3.4 Kết luận chương.....................................................................................................14
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT ......................................15
4.1 Giới thiệu...............................................................................................................15
4.2 Mô hình hệ thống...................................................................................................15
4.3 TỐI ƯU HÓA TỶ LỆ BẢO MẬT..........................................................................15
4.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................................17
4.5 KẾT LUẬN ...........................................................................................................17
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.......................................................18
b
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Đơn vị: Trường Đại học Bách Khoa
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông tin và năng
lượng vô tuyến đồng thời
- Mã số: B2017–ĐN02–36
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Duy Nhật Viễn
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: 6/2017 – 5/2019
2. Mục tiêu:
Mục tiêu 1: Xây dựng mô hình truyền thông tin và năng lượng đồng thời trong
thông tin vô tuyến.
Mục tiêu 2: Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.
Mục tiêu 3: Xây dựng chương trình mô phỏng để kiểm chứng hiệu quả của thuật
toán đề xuất
3. Tính mới và sáng tạo:
Gần đây, truyền thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT (simultaneous
wireless information and power transfer) đã thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng
của các nhà nghiên cứu, trong đó, tín hiệu vô tuyến cùng tần số được sử dụng để truyền
cả thông tin lẫn năng lượng. Thời gian hoạt động của thiết bị trong các mạng thông tin
di động thế hệ mới (5G), Internet of Things được hứa hẹn sẽ kéo dài hơn nhờ SWIPT.
Khác với truyền thông vô tuyến truyền thống, hệ thống SWIPT tích hợp bộ thu năng
lượng với các thiết bị truyền thông, cho phép các thiết bị vô tuyến vừa giải mã được
thông tin vừa chuyển đổi tín hiệu vô tuyến nhận được thành năng lượng phục vụ trực
tiếp cho nhu cầu của nó. Trong SWIPT, khi bộ phát gửi tín hiệu đến bộ nhận giải mã
thông tin thì bộ thu năng lượng thu năng lượng từ các tín hiệu này. Do đó, thiết bị thu
năng lượng dễ dàng nghe trộm thông tin. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để trao đổi thông
tin được với người nhận thông tin trong khi giảm thiểu việc nghe lén các máy thu năng
lượng.
Trong những năm qua, đã có những công trình nghiên cứu đáng kể về các giải
pháp tiền mã hóa trong các mạng truyền thông không dây để tối đa hóa tốc độ ở người
sử dụng giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng cùng một lúc. Trong đề tài này,
chúng tôi tập trung nghiên cứu trường hợp MIMO SWIPT đường xuống và đề xuất các
thuật toán tối ưu hóa hiệu năng hệ thống và truyền tải thông tin an toàn.
1
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Optimize performance for Simultaneous Wireless
Information and Power Transfer system
Code number: B2017–ĐN02–36
Coordinator: Nguyen Duy Nhat Vien, PhD.
Implementing institution: University of Science and Technology – The
University of Danang
Duration: from 06/2017 to 05/2019
2. Objective(s):
- Objective 1: Propose the simultaneous wireless information and power transfer
system models.
- Objective 2: Optimize system performance
- Objective 3: Developing a simulation program to verify the performance of the
proposed algorithm.
3. Creativeness and innovativeness:
Recently, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) has
attracted increasing interests, where the same radio frequency (RF) signals are used for
transmitting both energy and information. To prolong the operation time of devices in
5G low-power energy-constrained networks, including wireless sensor networks
(WSNs) and Internet of Things (IoTs), SWIPT has been regarded as one of the most
promising technologies. Different from traditional wireless communications, SWIPT
integrates energy harvesting (EH) with communication devices, which enables wireless
devices to decode information or convert received RF signals into direct current power
according to its own need.
In SWIPT, the transmitter sends signals to the information decode (ID) receivers
and the EH receivsers harvest energy from these signals. Thus, the EH receiver easily
eavesdropped on the ID receiver's information. The problem is how to communication
with ID receivers while minimize eavesdropping of the EH receivers.
In the past few years, there have been significant research progress on
beamforming strategies in wireless communication networks to maximize the rate at the
information decoding (ID) users and the harvested energy at the EH users
simultaneously. In this project, we focus our study on the downlink MIMO SWIPT case
and propose the algorithms for optimize system performance and secure transmission.
4. Research results:
3
The project has developed the MIMO SWIPT system models, and then proposed
optimal and secure solutions for SWIPT system.
5. Products:
- Scientific products: 02 international journal papers and 01 national paper.
- Application products:
- 01 optimization and security method for SWIPT system.
- 01 computer program
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of
research results:
- Transfer the entire products, including: reports, scientific articles, programs
- Application institution: The Faculty of Electronic and Telecommunication
Engineering, The University of Danang – University of Science and Technology
- Impacts and Benefits of Research Results:
- Education: enrich the reference materials of teaching and scientific
research for the Faculty of Electronic and Telecommunication Engineering
- Science: The significant contribution of the project is the propose of
perfomance optimization and transmission secure.
4
MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài
nước
Trước đây, tín hiệu vô tuyến chủ yếu được sử dụng để truyền thông tin. Trong
bối cảnh phát triển mạnh mẽ của thông tin vô tuyến, các thiết bị vô tuyến trở nên phong
phú và đa dạng hơn. Một trong những bài toán được đặt ra đối với các thiết bị truyền
thông vô tuyến là nguồn năng lượng cung cấp để hoạt động. Tính di động của thiết bị
càng cao, vấn đề năng lượng cảng trở nên cấp bách.
Trong những năm gần đây, người ta đã nhận ra rằng tín hiệu truyền thông vô
tuyến có thể được sử dụng đồng thời truyền tải năng lượng cho các thiết bị có khả năng
thu thập năng lượng vô tuyến để tự cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của chính nó.
Vì lý do này, kỹ thuật truyền tải thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT (simultaneous
wireless information and power transfer) đã xuất hiện như là các công nghệ đầy hứa hẹn
kết hợp với các thiết bị thu hoạch năng lượng EH (energy harvesting) để cung cấp mạng
năng lượng một cách thuận lợi trong mạng thông tin vô tuyến [1], [2].
Trong các hệ thống SWIPT, thiết kế máy phát hiệu quả đã được các tác giả tích
cực nghiên cứu và đề xuất trong vài năm qua [3] - [7]. Cụ thể, các thuật toán khác nhau
đã được khai thác và đề xuất trong các mạng đa anten như giao thoa [3], chuyển tiếp [4],
và kênh quảng bá (đường xuống) [5] [6] để tối đa hóa tốc độ sử dụng và năng lượng thu
hoạch ở người sử dụng đồng thời.
Các công trình [8]-[10] đề xuất các bộ thu tuyến tính dựa trên sai lệch bình
phương trung bình tối thiểu MMSE (minimum mean squared error) của tín hiệu thu nhận
được khôi phục so với tín hiệu phát với độ phức tạp thấp.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, truyền thông vô tuyến đã thể hiện được các ưu điểm
nổi trội của mình như tính linh động, đơn giản trong thiết kế mạng, khả năng di chuyển
cao, hiệu quả…, chính các ưu điểm này nên truyền thông vô tuyến là một trong những
kỹ thuật quan trọng nhất của IoT (Internet of Things). Tuy nhiên, trong các thiết bị
truyền dẫn vô tuyến, do kích thước nhỏ gọn nên thường hạn chế dung lượng pin. Các kỹ
thuật pin cũng như công nghê sạc pin mới làm tăng chi phí, hơn nữa có thể gây hại đối
với sức khoẻ của con người và môi trường. Ngoài các giải pháp an toàn và “xanh” hơn
nhằm tái tạo năng lượng từ môi trường như khai thác phong, nhiệt năng thì việc khai
thác tín hiệu tần số vô tuyến là một nguồn năng lượng mới trong việc tiết kiệm năng
lượng.
Kỹ thuật truyền công suất không dây WPT (wireless power transfer) hay viết
ngắn hơn là công suất không dây bao hàm việc truyền năng lượng điện từ nguồn công
5
suất đến một hoặc nhiều thiết bị sử dụng mà không có bất kỳ dây nối điện nào đã được
nghiên cứu và thực hiện trong một thời gian dài. Nói chung, WPT hoạt động được thông
qua hiệu ứng cảm ứng điện từ trường gần “near-field” vói khoảng cách ngắn (dưới 1 m)
như của các thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến RFID (radio-frequency identification)
hay bức xạ điện từ trường xa “far-field” ở dạng vi-ba hay laze cho khoảng cách xa (vài
hm) như trong các ứng dụng truyền năng lượng từ các vệ tinh năng lượng mặt trời đến
trái đất hay vũ trụ. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây về bức xạ điện từ WPT qua
bang tần RF đã được nghiên cứu độc lập với việc truyền thông tin vô truyến WIT
(wireless information transfer). Điều này là không đáng ngạc nhiên vì đây là hai dòng
công việc với những mục tiêu nghiên cứu rất khác nhau: WIT là tối đa hóa khả năng
truyền tải thông tin của các kênh vô tuyến phụ thuộc vào các tác nhân gây suy yếu như
fading và nhiễu, trong khi WPT là tối đa hóa việc hiệu quả truyền tải năng lượng (được
định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng thu hoạch và lưu trữ ở bên thu để tiêu thụ so với bên
phát) trong môi trường vô tuyến. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng các mục tiêu thiết kế
giữa WPI và WIT phải được cân đối theo quỹ năng lượng bên phát cho trước, tối đa hoá
công suất tín hiệu bên thu (cho WPT) cũng như tối đa hoá dung lượng kênh (cho WIT)
đối với nhiễu thu.
Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất:
- Cơ chế tiền mã hoá tối ưu cho các bộ thu giải mã thông tin ID (information
decoding) trong khi phải thoả mãn ràng buộc thu hoạch năng lượng của các thiết bị thu
thu hoạch năng lượng EH (energy harvesting).
- Kỹ thuật truyền dẫn bảo mật cho bộ thiết bị thu ID trong trường hợp thiết bị thu
EH có thể nghe lén.
3. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu 1: Xây dựng mô hình truyền thông tin và năng lượng đồng thời trong
thông tin vô tuyến.
Mục tiêu 2: Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.
Mục tiêu 3: Xây dựng chương trình mô phỏng để kiểm chứng hiệu quả của thuật
toán đề xuất
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Hiệu năng hệ thống trong kỹ thuật truyền thông tin và năng lượng đồng thời.
- Phạm vi nghiên cứu:
Các bộ beamformer cho máy phát và máy thu.
5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
Thừa kế các công trình về
o Mô hình tín hiệu thu – phát
6
o Kỹ thuật SWIPT,
o Kỹ thuật beamforming.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết:
o Xem xét các công trình liên quan, so sánh và đánh giá các ưu điểm và
khuyết điểm của các phương pháp, kỹ thuật, từ đó đề xuất ý tưởng thay
đổi và cải thiện các hệ thống đang tồn tại;
o Kế thừa và phối hợp giữa các kỹ thuật đã được đề xuất để có thể đưa ra
phương pháp tối ưu.
Phương pháp mô hình:
o Xây dựng mô hình tín hiệu của hệ thống
o Xây dựng phần mềm mô phỏng.
Phương pháp phân tích và tổng kết:
o Kiểm tra độ tính hiệu quả của các phương phát đề xuất dựa trên việc phân
tích và đánh giá các dữ liệu kết quả so với các phương pháp trước.
6. Nội dung của đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN
NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền thông tin và năng lượng
đồng thời, quá trình hình thành công nghệ SWIPT và các ứng dụng thu năng lượng
không dây.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa
anten thu ( kênh truyền MIMO) và một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ
thống MIMO.
CHƯƠNG 3. TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG
SWIPT
Chương này trình bày mô hình chung của hệ thống, đề xuất phương pháp tiền mã
hóa tối ưu trọng số WMMSE để có được tín hiệu thu tốt nhất dưới ràng buộc công suất
phát và năng lượng thu hoạch tối thiểu.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT
Chương này đề xuất một thiết kế bảo mật thông tin đơn giản cho hệ thống truyền
thông tin và năng lượng đồng thời với cấu hình một bộ phát, một bộ thu thông tin và
một bộ thu hoạch năng lượng vô tuyến. Thiết kế tối ưu dưới các tràng buộc công suất
phát và năng lượng thu hoạch tối thiểu nhằm đảm bảo hạn chế tối đa thông tin bị nghe
lén từ bộ thu hoạch năng lượng.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đóng góp cũng như hạn chế của đề tài và hướng
nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN
VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI
1.1 GIỚI THIỆU
Việc thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF là một giải pháp đầy hứa hẹn để
cung cấp nguồn điện vĩnh viễn và tiết kiệm chi phí cho các mạng không dây. So với các
phương pháp thu hoạch năng lượng truyền thống (EH) phụ thuộc vào các nguồn bên
ngoài, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, thu hoạch năng lượng từ tín hiệu RF
có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây theo yêu cầu bất cứ lúc nào và
do đó mang lại sự tiện lợi và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các hệ thống không dây.
Hơn thế nữa, cùng với việc áp dụng rộng rãi các kỹ thuật đa anten thu phát (MIMO) và
phủ sóng của các trạm BS trong các hệ thống 5G, có thể truyền tải năng lượng không
dây với hiệu quả cao hơn trong tương lai. Bằng cách kết hợp EH với truyền tải thông tin
truyền thống, người ta hi vọng dây kết nối để truyền thông tin và năng lượng cho các
thiết bị di động sẽ bị loại bỏ hoàn toàn trong truyền thông không dây tương lai. Do những
yêu cầu và tiến bộ kỹ thuật, truyền thông không dây và chuyển đổi năng lượng đồng
thời (SWIPT) là một trong những kỹ thuật chính cho mạng không dây 5G và đã gây
được sự quan tâm rộng rãi từ cả giới học thuật lẫn ngành công nghiệp.
Các nghiên cứu tiên phong của SWIPT tập trung vào việc mô tả tốc độ cơ bản và
truyền tải năng lượng với giả định rằng cùng một tín hiệu đồng thời có thể truyền tải
thông tin và năng lượng. Tuy nhiên, giới hạn bởi các kỹ thuật hiện tại không thể đạt
được sự truyền tải đồng thời thông tin và năng lượng với cùng một tín hiệu trong thực
tế. Do đó, việc đạt được SWIPT chủ yếu phụ thuộc vào kiến trúc của các máy thu phát
và các giao thức hoạt động. Các phương pháp chuyển mạch thời gian (TS) đã được đề
xuất để thực hiện bằng cách thay thế giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng theo
cách phân chia theo thời gian. Hoặc một mô hình phân chia năng lượng (PS), trong đó
tín hiệu thu được chia thành hai phần để thu thập thông tin và lưu trữ năng lượng đồng
thời tại bộ giải mã thông tin và bộ thu năng lượng tách biệt. Nội dung chương này sẽ
trình bày tổng quan về hệ thống truyền thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT, đặc
điểm thu hoạch năng lượng và phạm vi ứng dụng của SWIPT.
1.2 HỆ THỐNG SWIPT
Các nghiên cứu lý thuyết thông tin ban đầu về SWIPT đã giả định rằng cùng một
tí hiệu có thể truyền tải cả năng lượng và thông tin mà không bị tổn thất, tiết lộ một sự
cân bằng cơ bản giữa thông tin và chuyển đổi năng lượng [1]. Tuy nhiên, việc chuyển
đổi đồng thời này không thể thực hiện được, vì hoạt động thu năng lượng được thực
hiện trong miền RF làm phá hủy nội dung thông tin. Để thực tế đạt được SWIPT, tín
hiệu nhận được phải được chia thành hai phần riêng biệt, một để thu năng lượng và một
để giải mã thông tin. Sau đây, các kỹ thuật đã được đề xuất để đạt được sự phân tách tín
hiệu này trong các miền khác nhau (thời gian, năng lượng, anten, không gian) sẽ được
thảo luận.
8
Hình 1.1 Các kỹ thuật truyền SWIPT trong các miền khác nhau: a) thời gian, b) năng
lượng, c) anten và d) không gian.
1.2.1 Chuyển mạch thời gian (TS)
1.2.2 Chia công suất (PS)
1.2.3 Chuyển mạch anten (AS)
1.2.4 Chuyển mạch không gian (SS)
1.3 ĐẶC ĐIỂM VÀ CÁC CHỈ SỐ ĐÁNH GIÁ THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG
KHÔNG DÂY
1.3.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF
Không giống như thu hoạch năng lượng từ các nguồn khác, chẳng hạn như năng
lượng mặt trời, gió và rung động, thu năng lượng RF có các đặc điểm sau:
Các nguồn RF có thể cung cấp khả năng điều khiển và chuyển đổi năng lượng
liên tục qua khoảng cách cho các máy thu hoạch năng lượng RF.
Trong mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF cố định, năng lượng thu được
có thể dự đoán và tương đối ổn định theo thời gian do khoảng cách cố định.
Do lượng RF thu được phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn RF, các nút mạng
ở các vị trí khác nhau có thể có sự khác biệt đáng kể về năng lượng RF thu được. Các
nguồn RF chủ yếu có thể được phân thành hai loại, tức là các nguồn RF chuyên dụng và
các nguồn RF xung quanh.
Trong việc đánh giá một hệ thống có nhiều tham số cần được đánh giá, các thông
9
số này quyết định hiệu suất của một thiết kế WPH. Đánh giá sự thay đổi tùy thuộc vào
các ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, các giá trị quan trọng như hiệu suất, độ nhạy,
khoảng cách hoạt động, công suất đầu ra được định nghĩa là các tiêu chuẩn để so
sánh. Ngoài những đặc điểm này, các yếu tố hỗ trợ sản xuất khác như chi phí thấp, quá
trình chế tạo và sản xuất hàng loạt cũng ảnh hưởng đến các tiêu chí đánh giá hệ thống.
1.3.2 Phạm vi hoạt động
Khoảng cách hoạt động chủ yếu liên quan đến tần số hoạt động. Trong thực tế,
truyền ở tần số cao bị suy hao trong khí quyển nhiều hơn ở tần số thấp, tần số thấp có
khả năng đâm xuyên tốt hơn.
1.3.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE)
1.3.4 Yếu tố cộng hưởng
1.3.5 Độ nhạy
1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
1.4.1 Thu năng lượng RF trong y tế và chăm sóc sức khỏe
1.4.2 Phân tập tần số
1.4.3 Mạng cảm biến không dây (IoT/WSN)
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống SWIPT với các các kỹ thuật chuyển
mạch trong các miền khác nhau như: thời gian, năng lượng, anten, không gian. Từ đây
có cái nhìn tổng quan về hệ thống SWIPT.
Các sóng điện từ RF là vô hại, phong phú trong không gian, và có thể xâm nhập
qua các mô mềm. Đó là những thuộc tính làm cho sóng điện từ RF trở thành một nguồn
năng lượng thay thế để thay thế pin trong nhiều ứng dụng. Đặc biệt, việc thu hoạch năng
lượng RF hỗ trợ các thiết bị y tế, chăm sóc sức khỏe năng lượng thấp và tạo điều kiện
phát triển WSNs và IoT bằng cách cung cấp tính di động khi sử dụng. Ngoài ra, tiến bộ
trong việc tích hợp mạch thu năng lượng RF vào công nghệ CMOS tạo ra một SoC hoàn
toàn không dây.
Tóm lại, công nghệ SWIPT đang dần trở thành hiện thực. Mặc dù công nghệ này
vẫn còn nhiều vấn đề, vượt qua những thách thức này có thể dẫn ngành năng lượng mới
bước đến một kỷ nguyên mới của năng lượng sạch và bền vững.
10
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN VÀ KỸ
THUẬT TIỀN MÃ HÓA
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Các hệ thống đa anten đã được ứng dụng và triển khai thành công cho các mạng
truy cập không dây băng rộng (ví dụ MIMO-Wifi, MIMO-UMTS, LTE, WiMAX…)
nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của tốc độ dữ liệu truyền tin cùng với
sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị thu nhận tín hiệu không dây, trong một số hệ
thống viễn thông hiện tại và trong tương lai. So với các hệ thống một anten duy nhất,
dung lượng của hệ thống đa anten bao gồm ꢀꢁ anten phát và ꢀꢂ anten thu được tăng lên
mà không cần phải tăng công suất phát và trải rộng thêm phổ tần. Chương này sẽ trình
bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu ( kênh truyền MIMO) và
một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ thống MIMO.
2.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO
2.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO
2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO
2.2.3 Khuyết điểm của hệ thống MIMO
2.3 MIMO ĐƠN NGƯỜI DÙNG VÀ MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG
2.3.1 Dung lượng kênh
2.3.2 MIMO đơn người dùng (SU-MIMO)
2.3.3 MIMO đa người dùng (MU-MIMO)
2.3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing
2.3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa MMSE
2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương này đã chỉ ra rằng MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng
đồng thời nhiều anten ở máy phát và máy thu, nhằm làm tăng nhanh dung lượng của
kênh truyền vô tuyến. Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến đã được triển khai
ứng dụng và đề xuất cho các hệ thống 3G trở đi. Tuy nhiên, xây dựng được một hệ thống
MIMO đạt được hiệu quả cao nhất vẫn đang là vấn đề được đặt ra. Với các phương pháp
tiền mã hóa, công nghệ MIMO có thể được sử dụng rất hữu ích trong các hệ thống thông
tin liên lạc không dây. MIMO vẫn đang còn có thể phát triển khi kết hợp với những công
nghệ khác để tạo ra những đột phá mới trong công nghệ, giúp làm đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của con người trong thông tin liên lạc, giao lưu văn hóa…
MIMO đã tạo ra những ưu thế mới cho các ứng dụng không dây nói chung, tạo
thế mạnh cho công nghệ này phát triển mạnh mẽ phục vụ ngày càng cao những nhu cầu
về giải trí, truyền tải đa phương tiện…. Trong tương lai, hệ thống MIMO sẽ được sử
dụng rộng rãi và nâng cao hơn nữa để mang đến chất lượng tốt nhất cho người sử dụng.
11
CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU
CHO HỆ THỐNG SWIPT
3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Truyền năng lượng không dây (WPT) là một giải pháp mới đầy hứa hẹn cung cấp
nguồn năng lượng thuận tiện và liên tục cho mạng không dây. Trong thực tế, WPT có
thể thực hiện được bằng các công nghệ khác nhau như ghép nối cuộn cảm, ghép nối
cộng hưởng từ và bức xạ điện từ (EM) cho các ứng dụng ngắn/ trung bình/ dài. Chương
này chỉ trình bày về tín hiệu EM hoặc sóng vô tuyến nói riêng được sử dụng cho WPT.
Vì các tín hiệu vô tuyến có thể mang năng lượng cũng như thông tin cùng một lúc cho
nên chương này tập trung nghiên cứu về truyền thông tin và năng lượng không dây đồng
thời (SWIPT). Cụ thể, chương này trình bày mô hình tổng quát hệ thống SWIPT BC
MIMO với máy thu, phát sóng vô tuyến đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO) gồm có ba nút,
trong đó một máy thu năng lượng và một máy thu khác giải mã thông tin riêng biệt với
tín hiệu được gửi bởi một máy phát thông thường và tất cả máy phát và máy thu đều
được trang bị hệ thống đa anten. Từ các thông số đã đưa ra trên lý thuyết ta sử dụng các
phương pháp tối ưu hệ thống.
3.2 THIẾT KẾ BỘ THU/PHÁT MMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT
3.2.1 Mô hình hệ thống
3.2.2 Thiết kế bộ thu - phát MMSE
Trong phần này, trình bày cách giải bài toán (P3) dựa trên phương pháp nhân tử
Lagrange đôi. Trước tiên, chúng tôi giới thiệu 02 biến không âm λ và μ được kết hợp
lần lượt với các ràng buộc năng lượng thu hoạch tối thiểu và công suất phát tối đa trong
(P3).
Hàm Lagrange được định nghĩa như sau:
(
)
ꢃ ꢄ, ꢅ, ꢆ, ꢇ, ꢈ
)
= ꢉꢊꢋ ꢄ ꢈꢎꢇꢏ − ꢏ ꢄ ꢈꢎꢇꢏ − ꢏ ꢑ + ꢄ ꢓꢔꢕꢉꢊ ꢈꢈ
ꢒ
ꢌꢍ
ꢌꢍ
ꢐ
ꢌꢒ
ꢐ
(
)(
)
ꢐ
(
ꢐ
ꢐ
ꢘ
ꢐ
(
(
(
( )
)
)
(
(
(
)
− ꢅ ꢉꢊ ꢖꢇꢇ ꢖ − ꢗ + ꢆ( ꢉꢊ ꢇꢇ − ꢙꢁ)
ꢌꢒ
ꢐ
ꢐ
ꢌꢍ
)
)
ꢐ
= ꢉꢊ ꢄ ꢈꢎꢇꢇ ꢎ ꢈ − ꢉꢊ ꢄ ꢈꢎꢇ −
ꢒ
ꢌꢍ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢌꢒ
ꢐ
ꢐ
ꢘ
)
(
)
(
)
(
)
ꢉꢊ ꢄ ꢇ ꢎ ꢈ + ꢉꢊ ꢚ + ꢄ ꢓꢔꢕꢉꢊ ꢈꢈ − ꢅ ꢉꢊ ꢖꢇꢇ ꢖ − ꢗ +
ꢐ
(
)
ꢆ( ꢉꢊ ꢇꢇ − ꢙꢁ)
(3.10)
Các điều kiện KKT cần được thoả là [26]:
ꢛℒ
= ꢄꢌꢒꢎꢐꢈꢐꢈꢎꢇ − ꢄꢌꢍꢎꢐꢈꢐ −
ꢅꢖꢐꢖꢇ + ꢆꢇ = 0, (3.11)
∗
ꢛꢇ
ꢛℒ
= ꢄꢌꢒꢈꢎꢇꢇꢐꢎꢐ − ꢄꢌꢍꢇꢐꢎꢐ+ ꢄꢌꢒꢓꢔꢒꢕꢈ = 0,
(3.12)
∗
ꢛꢈ
ꢜℒ
ꢌꢍ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
(
)
(
)
= ꢄ ꢉꢊ ꢈꢎꢇꢇ ꢎ ꢈ − 2ꢉꢊ ꢇ ꢎ ꢈ
ꢜꢄ
ꢒ
ꢌꢍ
ꢐ
(
)
+ ꢄ ꢓꢔꢕꢉꢊ ꢈꢈ = 0,
(3.13)
(3.14)
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢘ
(
)
(
)
ꢅ ≥ 0, ꢆ ≥ 0, ꢉꢊ ꢇꢇ ≤ ꢙꢁ, ꢗ ≤ ꢉꢊ ꢖꢇꢇ ꢖ ,
12
ꢐ
( (
)
)
ꢆ ꢉꢊ ꢇꢇ − ꢙꢁ = 0,
(3.15)
ꢐ
ꢐ
ꢘ
(
)
ꢅꢋꢗ − ꢉꢊ ꢖꢇꢇ ꢖ ꢑ = 0,
(3.16)
ꢒ
ꢒ
ꢝ
Gọi ꢅ = ꢄ ꢅ, ꢆꢞ = ꢄ ꢆ, các phương trình trên có thể được tính lại như sau:
ꢒ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢈ = ꢎꢇꢇ ꢎ ꢈ + ꢓꢔꢕꢚ ꢌꢍꢄꢇꢐꢎꢐ,
(3.17)
(3.18)
(
)
ꢌꢍ
ꢥ
ꢘ
ꢨ
ꢢ
ꢣꢤ
ꢐ
ꢐ
ꢎ
ꢐ
ꢐ
ꢐ
ꢝ
ꢝ
ꢠ
( )
ꢉꢊ ꢈꢈ ꢚ + ꢅ(ꢖ ꢖ − ) ꢩ ꢎ ꢈ ,
ꢦ
ꢧ
ꢇ = ꢟꢇ(ꢅ) = ꢟ ꢡꢎ ꢈ ꢈꢎ +
ꢦ
ꢧ
ꢘ
ꢨ
ꢦ
ꢧ
ꢐ
ꢠꢐ
ꢠ
ꢝ
ꢝ
ꢝ
Với ꢟ =
. Để tìm ꢅ thoả yêu cầu Tr ꢡꢇ (ꢅ)(ꢖ ꢖ − ) ꢇ (ꢅ)ꢩ =
ꢪꢁꢂ(ꢇ(ꢫ)ꢇ (ꢫ))
ꢬ
ꢠ
ꢠ
ꢠ
ꢠ
ꢦ
ꢧ
0 ta sử dụng phương pháp chia đôi bisection đơn giản.
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Hình 3.1 Miền MSE-năng lượng thu hoạch (M-E) và miền tốc độ - năng lượng
thu hoạch (R-E) với ꢙꢁ = 100ꢭꢮ, ꢀꢯꢐ = ꢀ = ꢀꢁ = 4.
ꢔꢕ
14
NT =8
NT=4
NT=2
12
10
8
6
4
2
0
-2
0
0.5
1
1.5
2
106
Power ( W)
13
Hình 3.2 So sánh năng lượng thu hoạch theo công suất phát khi ꢀꢯꢐ = ꢀ =
ꢔꢕ
ꢰ
ꢧ
.
ꢒ
7
6
5
4
3
2
1
0
NT =2
NT=4
NT=8
0
0.5
1
1.5
2
106
Power ( W)
ꢰ
ꢧ
Hình 3.3 So sánh tốc độ thông tin công suất phát khi ꢀꢯꢐ = ꢀ =
.
ꢔꢕ
ꢒ
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương này trình bày giải thuật thiết kế bộ thu – phát cho hệ thống MIMO
SWIPT với một bộ phát, một bộ thu ID và một bộ thu EH. Thông qua việc xem xét một
hệ thống điển hình như vậy, bài toán tối ưu hóa được xây dựng để tính biên của miền
M-E. Thuật toán tối ưu được đề xuất để thiết kế các ma trận tiền – hậu mã hoá theo
MMSE với ràng buộc thu thu thập năng lượng tại máy thu EH và công suất phát tối đa
tại máy phát. Kết quả bằng số được cung cấp để kiểm chứng miền M-E, R-e và hiệu suất
của các hệ thống. Các kết quả còn cho thấy hiệu quả khi áp dụng kỹ thuật đa anten trong
SWIPT. Ở chương sau, chúng tôi sẽ trình bày giải pháp bảo mật cho hệ thống SWIPT
khi thiết bị nghe lén đóng giả máy thu EH để thu thập thông tin máy phát gởi cho máy
thu ID.
14
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT
4.1 GIỚI THIỆU
Như đã giới thiệu trong các phần trước, SWIPT là kỹ thuật đầy hứa hẹn khi sử
dụng tín hiệu cùng tần số sóng vô tuyến để truyền vừa thông tin lẫn năng lượng. Trong
các hệ thống thông tin di động tiên tiến (5G) hoặc mạng cảm biến không dây IoT, các
thiết bị yêu cầu năng lượng được cung cấp một cách liên tục đồng thời phải có khả năng
di động, việc sử dụng nguồn pin, accu lớn là không khả thi thì SWIPT là giải pháp cứu
cánh [27], [28]. Khác với cách thức truyền thông vô tuyến truyền thống, SWIPT tích
hợp bộ thu giải mã thông tin ID với bộ thu năng lượng EH để có thể giải mã thông tin
hoặc chuyển đổi tín hiệu sóng vô tuyến thành năng lượng khi cần thiết [29].
Trong SWIPT, bên phát gởi thông tin cho các bộ thu giải mã thông tin ID, còn
các bộ thu EH thu hoạch năng lượng cũng từ các tín hiệu này. Cho nên. bộ thu EH dễ
dàng nghe lén thông tin của các bộ thu ID. Như vậy, vấn đề đặt ta là làm thế nào vẫn
truyền thông tin cho các bộ thu ID, trong khi đó hạn chế tối thiểu việc nghe lén của các
bộ thu EH. Các tác giả trong [30] đã nghiên cứu kết hợp chính sách phân bố sóng mang
phụ với thuật toán chọn tỷ lệ chia công suất cho các hệ thống đa người dùng đồng kênh
đường xuống. Trong [31], các ma trận tiền / hậu mã hóa được thiết kế bảo mật cho hệ
thống SWIPT đa anten sử dụng bộ chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp. Trong [32],
các tác giả nghiên cứu tính bảo mật cho hệ thống MIMO SWIPT bằng cách tối đa hóa
tốc độ bảo mật dưới ràng buộc công suất phát tối đa và năng lượng thu hoạch tối thiểu.
Động cơ của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn bảo mật cho hệ thống
SWIPT đa anten gồm 2 bộ thu ID và EH. Do bài toán tối ưu cho vấn đề này là không lồi
nên không thể giải một cách trực tiếp được nên đề xuất giải pháp giải các bài toán lồi
tuần tự để giải quyết bài toán tổng thể.
4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG
4.3 TỐI ƯU HÓA TỶ LỆ BẢO MẬT
Thiết kế ꢱꢲ
Để loại bỏ toàn bộ giao thoa tại bộ thu ID, ta thiết kế ꢈꢲnằm trong không gian
không (null space) của ma trận ꢎ. Tiến hành phân tách giá trị riêng singular value
decomposition (SVD) của ma trận H, ta được
ꢎ = ꢳꢐꢴꢐꢇꢐꢐ,
Trong đó ꢳꢐ ∈ ∁ꢵ×ꢵ, ꢇꢐꢐ ∈ ∁ꢰ×ꢰ là các ma trận đơn nguyên (unitary). Ta thiết
kế ꢈꢲcó cấu trúc như sau:
(4.9)
ꢈꢲ = ꢇꢶꢷꢶꢇꢶꢐ,
(4.10)
ꢐ
ꢐ
Với, ꢇꢶ = ꢋꢚꢰ − ꢎ ꢎꢎꢐ ꢌꢹꢎꢑ ꢇꢐ và ꢷꢲ là ma trận đường chéo với các thành
(
)
ꢸ
phần được tối ưu để thỏa mãn ràng buộc tối thiểu năng lượng thu hoạch. Để đơn giản,
chọn ꢷꢲ như sau
15
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
26/03/2022
159200
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tóm tắt Đề tài Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bao_cao_tom_tat_de_tai_toi_uu_hoa_hieu_nang_he_thong_truyen.pdf
